建新煤化4206孤岛工作面停采煤柱优化研究

李昊顾鹏翔刘洋

(1、陕西建新煤化有限责任公司,陕西 黄陵727300 2、中国矿业大学,江苏 徐州221000)

1 概述

综采放顶煤工作面停采线合理位置的确定,不仅可以提高煤炭资源的回收率,也可以维护大巷的稳定性,尤其对于孤岛工作面综放开采,停采线的合理布置显得尤为重要[1]。但是厚煤层孤岛综放工作面回采后超前支承压力范围、峰值以及与煤壁距离相对于一般条件工作面都大[2],因此,在保证工作面安全停采的前提下,要合理确定工作面停采煤柱留设尺寸,最大限度地提高资源回收率[3-5]。开展针对性的分析探究,在确保生产安全的同时最大程度提升煤炭回采率,对于矿井综合收益的提升有着积极意义[2]。通过FLAC数值模拟分析建新煤化4206孤岛工作面合理停采线位置,在保证回撤通道稳定的前提下,既能保证辅运大巷不受破坏,又能使煤炭资源损失最小。

2 4206 工作面概况

4206工作面位于42盘区东部,如图1所示,工作面呈西南-东北方向布置,其南为4208工作面(已开采),北界为4204工作面(已开采),东界为42盘区安装通道,西界为42盘区辅运、胶带、总回风大巷。工作面上方地表山峦起伏、植被发育、森林茂密,无村庄、自然河流和固定水源存在。

图1 4206工作面布置图

4206工作面4-2煤层基本顶板为小街砂岩,厚度15～20m,分布稳定,以中细粒砂岩为主,单轴饱和抗压强度23.8 MPa,单轴饱和抗剪断强度C=3.0,φ=42°,裂隙不发育,岩芯完整,岩体基本质量为Ⅲ级,为中等坚固岩石,属较稳性顶板。底板多以泥岩、炭质泥岩、粉砂岩为主,细砂岩次之,泥岩单轴饱和抗压强度9.38 MPa,岩体基本质量为Ⅲ～Ⅳ级,为坚固性差至中等坚固岩石,属稳定性差至较稳定底板,局部地段因粘土含量增高,遇水易膨胀变形,为不稳定性底板。

3 4206 工作面末采期间问题

4206孤岛工作面末采期间,由于孤岛工作面超前支承压力的影响,工作面的两巷收敛、底鼓严重。譬如,在回风顺槽的防火墙向里(煤墙侧)50m范围连续出现8根钢带断裂,顶板下沉严重,运顺施工巷口(原顶板加固处)出现顶板下沉,最大下沉量达到0.5 m。同时辅运大巷顶板、拱肩部变形严重,“煤爆”声频繁,同时伴随顶板掉渣现象。依据现场实际观测,工作面超前50～80m范围内压力显现剧烈,表现为每天平均底鼓量400mm,巷道断面收敛量200mm,π型梁弯曲变形、折断等。

4 停采煤住的模拟分析

如果4206工作面停采煤柱留设如果过大,则浪费了大量的煤炭资源,考虑到可以通过采取超前工作面切顶卸压,来控制工作面推采过程中的顶板压力显现,应该可以实现适当减少停采煤柱的尺寸。在建新煤化现场使用的高位断顶卸压措施可以将工作面垂直上方60m范围内的岩层实施爆破卸压,卸压步距设置在25m一组。因此,数值计算模型考虑在离大巷25m、50m、75m和100m处各施加一组切顶卸压措施,以4206工作面运输顺槽为例,并建模进行计算。

采取卸压措施后,考虑在离大巷25m、50m、75m和100m处各施加一组切顶卸压措施,得到运输顺槽围岩应力、位移云图,得到其随工作面推进距离之间的关系,如图2所示。

从图2(1)可看出,工作面回采时,超前175m处两巷已受到回采的超前影响。两巷的垂直应力开始增加,两帮垂直应力在超前75m处达到峰值,随后降低(围岩产生塑性破坏),顶板垂直应力在超前25m处达到峰值,随后降低(围岩产生塑性破坏),即两巷超前剧烈影响范围为0-75m。顺槽在4206回采期间围岩应力不断增加,峰值出现在25m处,达到29.6 MPa；距工作面200～50m范围呈增加趋势,且125～50m范围增加速度不断变大。从图2(2)可看出,超前工作面200～150m范围,工作面推进对顺槽围岩稳定性影响不大,随着工作面推进,顺槽围岩移近量迅速增加,当距工作面小于50m时,顺槽围岩收敛十分剧烈。由此可知,4206工作面回采期间,超前影响不小于150m,剧烈影响范围不小于50m。经分析后150m为停采煤柱留设的合理煤柱尺寸采取切顶卸压后,停采煤柱150～250m范围时,辅运大巷围岩应力与位移基本变化不大,当停采煤柱留设为125m时顶板应力与位移增幅加剧,因此,停采煤柱选择150m为宜。

图2 顺槽围岩应力、位移与工作面距离关系

5 相关技术措施

5.1 深孔断顶预裂

在4206回采末期,为了治理强矿压问题,在4206工作面运回顺200m、175m、150m、120m、80m位置前期已经进行了深孔断顶卸压,为保证工作面停采位置前后顶板充分卸压,减小工作面上网和回撤区段的顶板压力,现在4206工作面运回顺100m、135m、190m、210m增加四组深孔断顶预裂。

前期断顶爆破孔方案如下:每组预裂孔:回风巷3个,运输巷3个,孔径113mm。回风巷和运输巷卸压孔沿煤层倾向布置,从巷道帮中线向上每隔500mm施工一个。1号孔:角度15°,孔深95m,终孔位置顶板向上25m。2号孔:角度30°,孔深95m,终孔位置顶板向上47.5 m。3号孔:角度45°,孔深88.5 m,终孔位置顶板向上62.6 m。施工图如图3所示。

图3 4206工作面断顶钻孔示意图

后期的补孔方案为了实现充分卸压,设计爆破孔在水平投影上有交错,如图4所示。

图4 补孔示意图

5.2 矿压监测结果分析

将监测所得的4206工作面运输顺槽表面位移和超前支撑压力数据进行统计分析,如图5所示。

图5 顺槽围岩应力、位移与工作面距离关系

从图5(1)可看出,工作面回采时,超前175m处两巷已受到回采的超前影响。两巷的垂直应力开始增加,两帮垂直应力在超前75m处达到峰值,随后降低(围岩产生塑性破坏),相比于图2(1)可以看出,两帮的垂直应力峰值由20MPa下降到10MPa左右,下降了50%,说明卸压起到了很好的效果；顶板垂直应力在超前25m处达到峰值,相比于图2(1)垂直应力峰值由29.6 MPa下降到了15MPa左右,下降了50%左右,卸压措施对于顶板应力的治理起到的明显的成效；从图5(2)中可以看出,顶板的最大位移量相比较于图2(2)中的380mm下降到了220mm,顶板的最大位移量下降了160mm；两帮的最大位移量也下降到了80mm左右,说明深孔断顶预裂卸压措施在控制顶板以及两帮变形的问题起到了很好的效果。

6 结论

针对4206工作面末采期间的停采煤柱留设的数值计算结果以及工业性试验提出以下结论:

6.1 根据数值模拟计算结果得出4206工作面若采用深孔断顶措施,建议停采煤柱尺寸选择150m较宜。

6.2 经过工业性实验得出在4206工作面运回顺100m、135m、190m、210m增加四组深孔断顶预裂措施时,顶板和两帮的最大垂直应力相比较之前下降了50%,分别下降到了15MPa和10MPa；顶板和两帮的最大变形量相比较之前分别下降到了220mm和80mm。